滚动轴承故障振动分析
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滚动轴承故障诊断滚动轴承是应用最为广泛的机械零件质疑,同时,它也是机器中最容易损坏的元件之一。
许多旋转机械的故障都与滚动轴承的状态有关。
据统计,在使用滚动轴承的旋转机械中,大约有30%的机械故障都是由于轴承而引起的。
可见,轴承的好坏对机器工作状态影响极大。
通常,由于轴承的缺陷会导致机器产生振动和噪声,甚至会引起机器的损坏。
而在精密机械中(如精密机床主轴、陀螺等),对轴承的要求就更高,哪怕是在轴承上有微米级的缺陷,都会导致整个机器系统的精度遭到破坏。
最早使用的轴承诊断方法是将听音棒接触轴承部位,依靠听觉来判断轴承有无故障。
这种方法至今仍在使用,不过已经逐步使用电子听诊器来替代听音棒以提高灵敏度。
后来逐步采用各式测振仪器、仪表并利用位移、速度或加速度的均方根值或峰峰值来判断轴承有无故障。
这可以减少对设备检修人员的经验的依赖,但仍然很难发现早期故障。
随着对滚动轴承运动学、动力学的深化研究,对轴承振动信号中频率成分和轴承零件的几何尺寸及缺陷类型的关系有了比较清楚的了解,FFT级数的发展也使得利用频率域分析和检测轴承故障成为一种有效的途径。
也是目前滚动轴承监测诊断的基础。
从发展的历程看,滚动轴承故障检测诊断技术大致经历了以下阶段:1961年,W.F.Stokey完成了轴承圈自由共振频率公式的推导,并发表;1964年,O.G.Gustafsson研究了滚动轴承振动和缺陷、尺寸不均匀及磨损之间的关系,这与目前诊断滚动轴承故障的方法是基本一致的;1969年,H.L.Balderston根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体在内外滚道上的通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式。
至此,有关滚动轴承监测诊断的理论体系已经基本完成;1976年,日本新日铁株式会社研制了MCV-021A机器检测仪,其方法是通过检测低频、中频和高频段轴承的信号特征来判断轴承的工作状态;1976~1983年之间,日本精工公司也积极在滚动轴承检测仪器方面做工作,相继推出了NB系列轴承检测仪,利用1~15kHz范围内的轴承振动信号的有效值(rms)和峰峰值(p-p)来诊断轴承的故障;1980年代至今,以改良频率分析的方法来精密诊断滚动轴承的故障、确定故障位置,一直是精密诊断采取的必备方法,其中包括细化谱分析、倒频谱分析、共振解调技术、包络分析技术等。
滚动轴承失效的四种形式
滚动轴承的失效主要有以下四种形式:
1、疲劳点蚀:滚动轴承在载荷作用下,滚动体与内、外滚道之间将产生接触应力。
轴承转动时,接触应力是循环变化的,当工作若干时间以后,滚动体或滚道的局部表层金属脱落,使轴承产生振动和噪声而失效。
2、塑性变形:当轴承的转速很低或间歇摆动时,轴承不会发生疲劳点蚀,此时轴承失效是因受过大的载荷(称为静载荷)或冲击载荷,使滚动体或内、外圈滚道上出现大的塑性变形,形成不均匀的凹坑,从而加大轴承的摩擦力矩,振动和噪声增加,运动精度降低。
3、磨料磨损:在轴承组合设计时,轴承处均设有密封装置。
但在多尘条件下的轴承,外界的尘土、杂质仍会侵入到轴承内,使滚动体与滚道表面产生磨粒磨损。
如果润滑不良,滚动轴承内有滑动的摩擦表面,还会产生粘着磨损,轴承转速越高,粘着磨损越严重。
经磨损后,轴承游隙加大,轴承游隙加大,运动精度降低,振动和噪声增加。
4、安装问题:安装不当也可能导致滚动轴承失效。
为了尽可能长时间地以良好状态维持轴承本来的性能,必须保养、检测、检修、以求防事故于未然,确保运转的可靠性,提高生产性、经济性。
对长期运行中的设备来讲,平时的检测跟踪尤为重要,检测项目包括轴承的旋转音、振动、温度、润滑剂的状态等,根据检测结果,设备维护人员可以准确地判断设备的问题点,提早作出预防和解决方案。
一、异常旋转音分析诊断异常旋转音检测分析是采用听诊法对轴承工作状态进行监测的分析方法,常用工具是木柄长螺钉旋具,也可以使用外径为20mm左右的硬塑料管。
相对而言,使用电子听诊器进行监测,更有利于提高监测的可靠性。
轴承处于正常工作状态时,运转平稳、轻快,无停滞现象,发生的声响和谐而无杂音,可听到均匀而连续的“哗哗”声,或者较低的“轰轰”声。
异常声响所反映的轴承故障如下:1、轴承发出均匀而连续的“咝咝”声,这种声音由滚动体在内外圈中旋转而产生,包含有与转速无关的不规则的金属振动声响。
一般表现为轴承内加脂量不足,应进行补充。
若设备停机时间过长,特别是在冬季的低温情况下,轴承运转中有时会发出“咝咝沙沙”的声音,这与轴承径向间隙变小、润滑脂工作针入度变小有关。
应适当调整轴承间隙,更换针入度大一点的新润滑脂。
2、轴承在连续的“哗哗”声中发出均匀的周期性“嗬罗”声,这种声音是由于滚动体和内外圈滚道出现伤痕、沟槽、锈蚀斑而引起的。
声响的周期与轴承的转速成正比。
应对轴承进行更换。
3、轴承发出不规律、不均匀的“嚓嚓”声,这种声音是由于轴承内落入铁屑、砂粒等杂质而引起的。
声响强度较小,与转数没有联系。
应对轴承进行清洗,重新加脂或换油。
4、轴承发出连续而不规则的“沙沙”声,这种声音一般与轴承的内圈与轴配合过松或者外圈与轴承孔配合过松有关系。
声响强度较大时,应对轴承的配合关系进行检查,发现问题及时修理。
二、振动信号分析诊断轴承振动对轴承的损伤很敏感,例如剥落、压痕、锈蚀、裂纹、磨损等都会在轴承及振动测量中反映出来。
所以,通过采用特殊的轴承振动测量器(频率分析器等)可测量出振动的大小,通过频率分布可推断出异常的具体情况。
滚动轴承的故障诊断⽅法研究滚动轴承的故障诊断⽅法研究第1章绪论1.1研究的⽬的和意义滚动轴承是⽣产机械中的地位⽆可替代,当然也最易损坏的部件。
其运⾏状态会直接影响整台机械⼯作效率、精度寿命和可靠性。
滚动轴承的损坏会导致⽣产机械剧烈振动,并伴有强⼤噪声,不仅会影响产品的加⼯质量,严重时会导致⽣产机械的损坏或机械事故。
随着电机的⼴泛应⽤及其⾃动化程度的不断提⾼,对其安全性、精度和故障诊断的准确性的要求也随之提⾼。
传统的诊断⽅法不仅成本较⾼、准确率偏低,并且更新费⽤⾼,已然不能满⾜⾼科技设备的需求。
基于以上原因,本⽂在虚拟仪器的环境下,利⽤多传感器信息融合技术,实现滚动轴承的故障诊断,会对现在和将来的⽣产技术提供强有⼒的帮助。
1.2国内外电机滚动轴承故障诊断的研究现状近现代以来,国内和国外的研究机构及学者在电机滚动轴承故障诊断的理论、技术与⽅法等⽅⾯进⾏了⼤量的研究分析⼯作,发表了诸多研究成果。
在国外,美国南卡罗林娜⼤学运⽤振动响应的多参数多频率的⽅法,对具有裂纹的和损伤的故障轴承进⾏诊断,⽬前已经取得了良好的成果。
美国宾州⼤学采⽤alpha beta -gamma跟踪滤波器和Kalman滤波器,对轴承故障的智能预⽰实现了完美成功。
⽇本九州⼯业⼤学运⽤基因算法优化组合特征参数,成功诊断出⼯况滚动轴承微弱故障。
意⼤利的Cassino⼤学,使⽤⾃谱技术对出现的轴承进⾏检测,判断故障轴承的初始问题,到⽬前为⽌也取得了有效的研究成果。
国外的这些技术有我们值得借鉴的地⽅,去其糟粕取其精华,研究更有技术的故障轴承诊断系统。
在国内,当滚动轴承存在故障时,⼤都以振动检测为主,因为轴承故障后常伴随巨⼤的声响,以及明显的外观表现。
国内的主要研究成果如下图所⽰。
或⾃⾝故障等多个⽅⾯的原因,会对故障造成误判或错判,如:声级计传感器易受到噪声的⼲扰,不能准确、⽆失真的反映滚动轴承的真实信号,温度传感器由于易受到外界温度的⼲扰,也常会出现误判或者错判等等。
滚动轴承故障诊断分析全解
滚动轴承是机械设备中的重要元件,也是故障率最高的构件。
其突发的故障可能会严重影响机械设备的正常运行,即使是轻微的故障,也会降低设备的使用寿命。
因此,对滚动轴承的故障进行及时诊断和维修,是确保轴承的正常运行的关键。
本文将对滚动轴承故障诊断进行全面阐述,以便于有助于轴承的可靠运行。
一般来讲,滚动轴承的故障可以归结为以下几类:
(1)疲劳损坏:由于长期的使用,滚动轴承中的滚动体和锥形齿轮等内部零件可能会因疲劳而损坏,最终导致轴承的故障;
(2)腐蚀破坏:由于设备运行时的温度、湿度及磨损较大,滚动轴承容易受到空气、油品及其他化学性腐蚀剂的作用,从而造成内部零件的磨损;
(3)水分侵入:滚动轴承组装后,如果存在漏油现象,则滚动轴承内部容易污染,从而导致滚动体及锥形齿轮等内部零件受损;
(4)润滑油工作性能不佳:润滑油在机械设备运行时,若由于品质或温度等原因,润滑油的性能不佳,轴承容易受到损坏;
(5)安装不良:滚动轴承安装后,若没有正确地调整轴的负荷和动转瞬间,将会对轴承组件产生振动和噪音,从而导致故障。
滚动轴承故障诊断频谱分析滚动轴承在机械设备中扮演着重要的角色,但随着使用时间的增加,轴承可能会出现故障。
为了及时发现和诊断轴承故障,频谱分析是一种常用的方法。
本文将详细介绍滚动轴承故障的频谱分析原理、方法和应用。
频谱分析是一种将时域信号转换为频域信号的技术,通过分析频谱图可以获得轴承故障所产生的频率信息,从而诊断轴承故障类型和程度。
轴承故障通常会产生一些特征频率,如滚珠轴承故障产生的频率一般为滚动频率、内圈频率、外圈频率等。
通过对这些特征频率的分析,可以准确判断轴承故障的类型,如滚子瓦损坏、滚道脱落等。
频谱分析的方法主要有两种:时域频谱分析和频域频谱分析。
时域频谱分析是通过将时域信号进行快速傅里叶变换,将其转换为频域信号。
频域频谱分析是通过对信号进行谱分解,然后计算信号的能量谱密度,从而得到频域信号的频谱图。
这两种方法各有优劣,可以根据实际需要选择适合的方法。
滚动轴承故障的频谱分析主要包括以下几个步骤:信号采集、数据预处理、频谱分析和故障诊断。
信号采集是指通过传感器等设备将轴承运行时的振动信号采集下来,通常采集的信号有时间域振动信号、加速度信号和速度信号等。
数据预处理是对采集的信号进行滤波、降噪和修正等处理,目的是提高分析结果的准确性。
频谱分析是核心部分,可以通过FFT(快速傅里叶变换)等算法将时域信号转换为频域信号。
然后通过对频域信号进行谱分解,得到频谱图,可以观察到各种故障产生的特征频率。
故障诊断是根据频谱图的分析结果判断轴承故障的类型和程度,以及采取相应的维修措施。
频谱分析在滚动轴承故障诊断中有着广泛的应用。
它可以帮助工程师在轴承故障发生前及时发现问题,避免故障对设备造成更大的损坏。
此外,频谱分析还可以帮助工程师判断维修的紧急程度,提高设备的维修效率和可靠性。
总之,滚动轴承故障的频谱分析是一种有效的方法,可以帮助工程师及时发现和诊断轴承故障,并采取相应的维修措施。
通过合理使用频谱分析技术,可以提高设备的运行可靠性和寿命。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.2 轴承振动测试系统 (33)4.3 轴承单点故障振动模型的建立与验证 (34)4.3.1 无故障轴承VC振动 (34)4.3.2 外圈单点故障分析 (36)4.3.3 内圈单点故障分析 (41)4.4 轴承复合故障振动模型的建立及验证 (45)4.4.1 内圈两点复合故障分析 (45)4.4.2 内外圈各一点复合故障分析 (49)4.5 本章小结 (52)结论 (53)参考文献 (54)攻读硕士学位期间发表的论文 (57)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (58)致谢 (59)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题的研究意义及目的本课题来源于国家自然科学基金资助项目:不完备信息下基于流向图的诊断知识获取理论与方法(编号:51175102)。
滚动轴承是一种广泛应用于各类旋转机械的通用基础部件,其运行状态的正常与否往往会对于整台机器的寿命、可靠性和精度等性能产生直接的影响。
据统计,旋转机械中30%的故障[1]287和大型异步电机中44%的故障[2]是由故障轴承引起的,而位于轴承内圈和外圈的故障占了其中的90% [1]287。
相较于其它机械零部件,滚动轴承的寿命具有离散性大的特点。
即使是生产过程完全一样的同一批轴承,它们的寿命也相差很大[3]1。
所以,对轴承按照设计寿命进行定期检查和维修是不合适的。
因此,需要对于轴承进行工况监测和故障诊断,及时发现轴承运行中存在的问题。
在轴承故障诊断的研究中,针对轴承中晚期单一故障的研究已经十分成熟,可以精确地对于轴承故障做出诊断。
然而,在工程实际中,故障轴承往往是多个故障并存的情况。
复合故障信号由于信号之间相互抵消、叠加,导致故障信号十分复杂,难以作出准确的诊断。
因此,如何对于复合故障进行有效的诊断,一直都是研究者重点关注的问题。
机械故障诊断学经过数十年的发展,在研究内容上基本可以划分为信号获取与传感技术、故障机理与征兆联系、信号处理与特征提取、识别分类与智能决策四个方面[3]64。
滚动轴承常见故障及故障程度诊断方法滚动轴承是一种常见的机械传动部件,广泛应用于各种设备和机器中。
然而,由于长期的运转和使用,滚动轴承可能会出现各种故障。
及早诊断并解决这些故障,可以提高设备的工作效率和寿命。
下面将介绍一些常见的滚动轴承故障以及相应的故障程度诊断方法。
1.磨损故障:磨损是滚动轴承最常见的故障之一、它可能是由于振动、超负荷、不当润滑或外部杂质等因素引起的。
磨损故障的特点是滚道、轴承座和滚珠表面的磨损或变形。
在诊断方面,可以使用肉眼观察滚道和滚珠表面的磨损情况,并通过手感判断是否存在磨损故障。
2.疲劳故障:疲劳是滚动轴承的另一种常见故障。
它通常是由高载荷、频繁起停、轴向冲击或轴承内部结构缺陷等因素引起的。
疲劳故障的特点是滚珠或滚道出现裂纹或剥落。
在诊断方面,可以使用显微镜观察滚珠和滚道表面的裂纹或剥落情况,或者进行动态振动分析以检测是否存在疲劳故障。
3.温升故障:温升是滚动轴承的常见故障之一,通常是由于不当润滑、过高的润滑脂粘度、轴承过紧或过松、内部结构问题等因素引起的。
温升故障的特点是轴承运行时温度升高。
在诊断方面,可以使用红外热像仪测量轴承温度,或使用测温仪对轴承不同部位进行温度测量,以判断是否存在温升故障。
4.噪声故障:噪声是滚动轴承常见的故障之一,通常是由于轴承松动、滚珠损坏、滚子不对中、不正确的润滑或外部冲击等因素引起的。
噪声故障的特点是轴承运行时产生噪声。
在诊断方面,可以使用听诊器或声音分析仪对轴承的运行声音进行监测和分析,以判断是否存在噪声故障。
5.润滑故障:滚动轴承的润滑是保证轴承正常运行的重要因素,不当的润滑可能会导致轴承故障。
润滑故障的特点是润滑油脂污染、量不足或过多、润滑脂分解或硬化等。
在诊断方面,可以通过观察润滑油脂的颜色、质地和气味来判断是否存在润滑故障。
除了上述常见的滚动轴承故障,还有一些其他故障,如过载、轴向偏移、振动等。
对于这些故障,可以使用适当的仪器和设备,如振动测量仪、位移传感器等进行诊断和监测。
滚动轴承常见故障及修复滚动轴承是机械设备中常用的一种轴承类型,它具有结构简单、使用寿命长、负载能力大等优点。
但是,在使用过程中,滚动轴承也会出现一些故障,如噪音、振动、过热等问题。
本文将从常见故障及修复两个方面介绍滚动轴承的相关知识。
一、常见故障1. 噪音噪音是滚动轴承常见的故障之一,通常表现为“嗡嗡”、“呼呼”等声音。
噪音产生的原因可能有以下几种:(1)润滑不良:如果润滑不足或润滑油质量差,会导致摩擦增大,从而产生噪音。
(2)杂质进入:如果外界杂质进入轴承内部,会导致轴承损坏或卡死,同时也会产生噪音。
(3)安装不当:如果安装不当或受力不均衡,会导致轴承变形或磨损加剧,从而产生噪音。
2. 振动振动是指在运转过程中出现的轴承颤动现象,通常表现为轴承整体或部分的震动。
振动产生的原因可能有以下几种:(1)负载过大:如果负载过大,会导致轴承变形或磨损加剧,从而产生振动。
(2)偏心或不平衡:如果轴承偏心或受力不均衡,会导致轴承旋转不平稳,从而产生振动。
(3)安装不当:如果安装不当或固定方式不正确,会导致轴承变形或磨损加剧,从而产生振动。
3. 过热过热是指在运转过程中轴承温度过高的现象。
过热产生的原因可能有以下几种:(1)润滑不良:如果润滑不足或润滑油质量差,会导致摩擦增大,从而使轴承温度升高。
(2)负载过大:如果负载过大,会使摩擦增大,从而使轴承温度升高。
(3)杂质进入:如果外界杂质进入轴承内部,会导致摩擦增大,从而使轴承温度升高。
二、修复方法1. 噪音修复方法(1)更换润滑油:如果润滑不足或润滑油质量差,可以更换合适的润滑油。
(2)清洗轴承:如果轴承内部有杂质,可以清洗轴承。
(3)调整安装位置:如果安装不当或受力不均衡,可以重新调整安装位置。
2. 振动修复方法(1)降低负载:如果负载过大,可以降低负载以减少振动。
(2)重新安装:如果轴承偏心或受力不均衡,可以重新安装并调整位置。
3. 过热修复方法(1)更换润滑油:如果润滑不足或润滑油质量差,可以更换合适的润滑油。
滚动轴承振动产⽣的可能原因及其特征频率通过前⾯的⽂章《滚动轴承的运动学》,我们了解了滚动轴承运转产⽣的特征频率,但实际上,除了这些频率之外,还存在⼀些其他的频率成分。
产⽣这些复杂的振动频率的原因可以分两类:第⼀类为外界激励所引起的,如轴不平衡、不对中、临界转速、结构共振等,这些故障(或缺陷)可以按照它们各⾃的特征频率来处理;第⼆类是由于滚动轴承⾃⾝结构特点以及故障缺陷所引起的。
通常,滚动轴承不会仅受到⼀种激励作⽤,更多是两种激励同时作⽤引起轴承振动,这就使得振动频谱更为错综复杂,对轴承的故障诊断增加难度。
另⼀⽅⾯,除了存在各⾃的特征频率成分及其谐波之外,还会存在相互调制效应,产⽣边频带。
当轴承各元件出现各种故障时,《滚动轴承的运动学》中的轴承频率公式提供了频率成分的理论计算,这些计算是基于这样的假设:当轴承各元件遭遇故障时,会产⽣⼀个理想的脉冲。
对于轴承局部故障,如滑动和点蚀,会产⽣短时尖的冲击,这些冲击将激起结构共振,相应的振动通过外部安装在轴承座上的传感器能测量到。
每次遭遇⼀个局部故障产⽣的冲击,测量到的振动信号将是按指数衰减的正弦振荡。
1载荷引起的振动滚动轴承在运转过程中,如受到通过轴⼼的轴向载荷,可以认为各个滚动体平均分担,即各滚动体受⼒相等。
但在受到径向载荷F r作⽤时,内圈沿径向载荷⽅向会移动⼀段路径δ0,如图1中虚线所⽰,此时上半圈滚动体不受⼒,下半圈的各个滚动体由于接触点上的弹性变形量δi不同⽽承受不同的载荷Q i。
处于F r作⽤线最下端位置的滚动体受⼒Q0最⼤,对应的变形量δ0也最⼤。
下半圈受载荷作⽤的其他各接触点滚动体的法向变形量为δi与径向载荷⽅向处变形量δ0的关系为图1 轴承元件上的受⼒分析各个接触点法向⼒Q i与沿径向载荷⽅向处的法向⼒Q0的关系为因此,在受载荷作⽤的半圈内,各接触点处的受⼒⼤致呈余弦分布状态,并引起相应规律的应⼒变化。
滚动轴承各元件在⼯作时承受变动的接触应⼒,如单颗滚动体受到的接触应⼒从⼩变⼤,然后再变⼩的周期性变化,⽽在不受载荷的半圈内不受接触应⼒作⽤,内圈上的某⼀点的接触应⼒也有类似的规律。
滚动轴承的振动机理与信号特征滚动轴承的振动可由外部振源引起,也可由轴承本身的结构特点及缺陷引起。
此外,润滑剂在轴承运转时产生的流体动力也可以是振动(噪声)源。
上述振源施加于轴承零件及附近的结构件上时都会激励起振动。
一、滚动轴承振动的基本参数1.滚动轴承的典型结构滚动轴承的典型结构如图1所示,它由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。
图1 滚动轴承的典型结构图示滚动轴承的几何参数主要有:轴承节径D:轴承滚动体中心所在的圆的直径滚动体直径d:滚动体的平均直径内圈滚道半径r1:内圈滚道的平均半径外圈滚道半径r2:外圈滚道的平均半径接触角α:滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角滚动体个数Z:滚珠或滚珠的数目2.滚动轴承的特征频率为分析轴承各部运动参数,先做如下假设:(1)滚道与滚动体之间无相对滑动;(2)承受径向、轴向载荷时各部分无变形;(3)内圈滚道回转频率为fi;(4)外圈滚道回转频率为fO;(5)保持架回转频率(即滚动体公转频率为fc)。
参见图1,则滚动轴承工作时各点的转动速度如下:内滑道上一点的速度为:Vi=2πr1fi=πfi(D-dcosa)外滑道上一点的速度为:VO=2πr2fO=πfO(D+dcosa)保持架上一点的速度为:Vc=1/2(Vi+VO)=πfcD由此可得保持架的旋转频率(即滚动体的公转频率)为:从固定在保持架上的动坐标系来看,滚动体与内圈作无滑动滚动,它的回转频率之比与d/2r1成反比。
由此可得滚动体相对于保持架的回转频率(即滚动体的自转频率,滚动体通过内滚道或外滚道的频率)fbc根据滚动轴承的实际工作情况,定义滚动轴承内、外圈的相对转动频率为一般情况下,滚动轴承外圈固定,内圈旋转,即:同时考虑到滚动轴承有Z个滚动体,则滚动轴承的特征频率如下:滚动体在外圈滚道上的通过频率zfoc为:滚动体在内圈滚道上的通过频率Zfic为:滚动体在保持架上的通过频率(即滚动体自转频率fbc)为:3.止推轴承的特征频率止推轴承可以看作上述滚动轴承的一个特例,即α=90°,同时内、外环相对转动频率为轴的转动频率fr,此时滚动体在止推环滚道上的频率为:滚动体相对于保持架的回转频率为:以上各特征频率是利用振动信号诊断滚动轴承故障的基础,对故障诊断非常重要。
Detecting rolling element bearing faults with vibration analysis
www.33cm.net www.mobiusinstitute.com
Detecting rolling element bearing faults is the highest priority for most vibration analysts. Detecting the fault at the earliest opportunity should be the priority, however in reality most analysts do not detect the fault in the first or even the second stage of failure. This article is going to help you to detect faults at stage one so that you can truly be in control of your maintenance program.
In this article I will describe the four stages of bearing failure and how to understand and successfully utilize the airborne ultrasound, Shock Pulse, Spike Energy, PeakVue, enveloping/demodulation, time waveform analysis and spectral analysis methods. I will also explain why you should not rely on trending overall level readings.
Reducing bearing faults No article of this nature can be complete without a discussion of the reasons why bearings fail in the first place. Your first priority should be to minimize the causes of bearing failure. If you can do that successfully, then you will not need to rely on the vibration analysis techniques as much. That is not to say that I want to put vibration analyst’s out of work, or that you should even consider downsizing your vibration monitoring program (because there will always be bearing failures and other mechanical faults) – the point is that the path to equipment reliability does not begin with vibration analysis.
The fact is that if you properly purchase, transport, store, install, and lubricate your bearings, and you operate machines that are balanced, aligned and operating well away from natural frequencies, your bearings will last longer.
You may not have control over many of these factors, but if you are involved in vibration analysis then there are two things you can definitely do: look for the presence of conditions that will cause bearings to have a reduced life, and perform root cause analysis when you detect bearing damage.
I opened this article by pointing out that the detection of rolling element bearing faults is the highest priority for most vibration analysts. The sad truth is that for too many analysts it is the only priority. Unbalance, misalignment, soft foot, and resonance often have a much lower priority. Although these faults conditions appear first on most wall charts, they can be the trickiest to diagnose. Phase analysis is a powerful, yet underutilized tool that can greatly help in the detection of these fault conditions – but that was the topic of an earlier article.
The point is that these conditions put additional stress on the bearings, thus reducing their life. If you do not take care of these conditions, it is inevitable that you will soon see the earliest stages of bearing damage.
The pattern of bearing damage Before we get into the specifics of the four stages of bearing failure, I would like to describe how the vibration changes in general terms. In classical teaching, bearing vibration is all about the four forcing frequencies: ball pass outer race (BPFO), ball pas inner race (BPFI), ball spin (BSF), and cage or fundamental train frequency (FTF). We will discuss these in more depth in a moment, but first I want to describe the movement of “broadband energy”.
If a bearing is poorly lubricated, we can detect an increase in the level of “noise” at very high frequencies. It is not a specific, single frequency; instead it will depend on a number of factors to do with the machine’s construction. Suffice to say that you cannot hear it; it is well above your hearing range.
As the state of lubrication worsens, the level of the noise will increase, but the frequency of the noise will slowly reduce – it will move from very high frequencies to high frequencies. That is not to say that you can’t detect the condition at lower frequencies; it is stronger at the higher frequencies.
As the film of lubricant between the bearing surfaces is reduced further, we will have more and more metal-to-metal contact, causing “stress waves” to be generated. Stress waves (also referred to as “shock pulses”) are like ripples in a pond; the moment the metal surfaces make contact, a wave of energy races away from the point of contact at the speed of sound. It all happens very quickly; possibly in less than a thousandth of a second!
Even if the root cause of the bearing fault is not poor lubrication, if the bearings are damaged through poor installation, false brinelling (where the bearing has been vibrating whilst it is stationary), EDM, misalignment, or any one of a number of reasons, there will come a time when there is either metal to metal contact between two surfaces,